Bussysteme Standardbasiertes Ethernet im Auto

Ethernetlösung für komplexe Fahrerassistenz- und Infotainment-Anwendugen
Ethernetlösung für komplexe Fahrerassistenz- und Infotainment-Anwendugen

Ethernet entwickelt sich zu einer Lösung für komplexe Fahrerassistenz- und Infotainment-Anwendungen mit Echtzeit-Anforderungen. Insbesondere das offene Standard-Ethernet bietet dabei wichtige Vorteile.

Ethernet ist unangefochten zur ersten Wahl für drahtgebundene Netzwerke geworden und wird in einer Vielzahl von Märkten eingesetzt – angefangen bei den Bereichen Heimnetze, Büros und Unternehmen bis hin zu Industrie- und Automotiv-Netzwerken. Ein Meilenstein in der Entwicklung von Ethernet ist das 1995 herausgebrachte 100BASE-T-Protokoll gemäß IEEE 802.3u, das eine Datenübertragung mit 100 Mbit/s über UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair, ungeschirmtes, verdrilltes Leiterpaar) ermöglicht.

Heutzutage spielt 100BASE-TX-Ethernet für den Automotive-Bereich eine wichtige Rolle, da es bereits für OBD (On-Board Diagnostics) und Software Downloads gemäß ISO 13400 im Auto genutzt wird. Aufgrund seiner Geschwindigkeit hat die Norm einen großen Vorteil gegenüber traditionellen CAN-basierten Methoden. Ein Auto kann in Minuten anstelle von Stunden neu programmiert werden. Dies sorgt für deutlich geringere allgemeine Kosten für den Autohersteller. In Diagnoseanwendungen zeigt sich die system­eigene Flexibilität von Ethernet, indem der bereits vorhandene OBDII-Standardanschluss und das CAN-Kabel des Autos genutzt werden und nicht die traditionellen Netzwerkstandards RJ45 und CAT5.

Der Nachteil der bisherigen Herangehensweise bei der Fahrzeugvernetzung besteht darin, dass Brücken zwischen den verschiedenen Bussen wie MOST, CAN oder LVDS notwendig sind, die zusätzliche Komplexität und Kosten erzeugen. Mit dem Aufkommen von AVB-Ethernet als Lösung für Echtzeit-Streaming ist es nun möglich, mit einer einzigen, gemeinsamen physischen Schicht die traditionellen Automotive-Busse zu ersetzen. Dadurch werden Gateway-Brücken überflüssig, so dass sich Komplexität und Kosten senken lassen.

Trotz ungeschirmter Kabel: EMV-Vorgaben werden eingehalten

In der Praxis ist es zwar noch nicht so weit, doch neue Anwendungen für das Auto beruhen immer häufiger auf Ethernet, so etwa bei kamerabasierten Fahrerassistenzsystemen. Im Gegensatz zu OBD-Funktionen handelt es sich hier jedoch um Echtzeitanwendungen, die zudem EMV-Vorgaben erfüllen müssen. Durch den Einsatz von abgeschirmten Kabeln ließen sich zwar die abgestrahlten Emissionen innerhalb des Autos verringern, doch dieser Lösungsansatz ist von der Industrie nicht gewünscht. Abgeschirmte Kabel bringen Probleme mit Erdungsstrategien mit sich, die sich nachteilig auf die Zuverlässigkeit auswirken und höhere Produktionskosten verursachen können. Abgeschirmte Kabel lassen sich zudem schlecht in Kabelbäumen integrieren, sondern müssen vor Produktionsbeginn gefertigt und gekauft werden.

Das große Ziel ist daher, ungeschirmte Kabel für Standard-Ethernet zu verwenden und EMV-Vorgaben für Fahrzeuge trotzdem zu erfüllen. Denn dadurch werden die Verkabelungskosten gegenüber abgeschirmten Kabeln deutlich verringert, die Interoperabilität mit anderen Standard-Ethernet-Geräten bleibt jedoch gewahrt.

Anfänglich wurde vermutet, dass Standard-Ethernet aufgrund der erwarteten Emissionswerte nicht über ungeschirmte Kabel betrieben werden könnte. Daher wurden alternative, proprietäre Lösungen für die physikalische Schicht geprüft. Zu den untersuchten Kandi­daten gehörte auch eine bereits be­stehende Technologie: BroadR-Reach. Die von Broadcom ursprünglich zur Vergrößerung der Reichweite von 100-Mbit/s-Ethernet in Wohnungen entwickelte Technik erweitert den Übertragungsradius mit Hilfe einer zusätzlichen Signalverarbeitung, ähnlich wie bei der Gigabit-Technologie, jedoch nicht kompatibel dazu. Durch die Signalverarbeitung und eine zusätzliche Filterung lassen sich die abgestrahlten Emissionen verringern. Da dies ursprünglich als einzige sinnvolle Lösung angesehen wurde, haben einige der frühen Förderer von Automotive Ethernet die BroadR-Reach-PHY-Technologie evaluiert.

Inzwischen wurde jedoch sowohl von Micrel als auch von Marvell erfolgreich demonstriert, dass Standard-Ethernet tatsächlich über ungeschirmte, verdrillte Leiterpaare betrieben werden kann und die EMV-Vorgaben für Fahrzeuge trotzdem erfüllt werden. Zur Zeit führen große OEMs weitere Projekte zur Untersuchung und Qualifizierung einer standardbasierten Ethernet-PHY-Schicht durch.Ein Beispiel dafür, wie die Emissionen eines Standard-Ethernet-PHY die von OEMs vorgegebenen Beschränkungen erfüllen, ist in Bild 1 zu sehen.

Die Tests wurden gemäß der Spezifikation von General Motors für die elektromagnetische Kompatibilität elektrischer/elektronischer Komponenten, definiert in GMW3097, durchgeführt. Der eingesetzte kostengünstige, handgefertigte Kabelbaum entspricht mit Kabeln des Typs Kroschu FL9Y FlexRay und Tyco-MQS-Anschlüssen der Spezifikation GMW3173 (ISO-Kabelauswahl und Anforderungen an physische Kabelbäume für Datenübertragungen über Fahrzeugbusse).